Apuntes científicos desde el MIT

Cuando Nora me dijo que era astrofísica e investigaba agujeros negros le pregunté ilusionado: “¿De esos gigantes en el centro de las galaxias?”. La conversación con amigos en el restaurante Circa había sido distendida hasta el momento, pero de repente Nora sacó todo su carácter de mujer siciliana, y me reprendió como si hubiera cometido un crimen: “¡Ya estoy harta! sólo os preocupáis de los aburridos agujeros negros supermasivos... ¡Los estelares son más pequeños, pero mucho más interesantes!”

¿Había dos tipos diferentes de agujeros negros y yo sin enterarme? ¿en qué sentido unos eran más interesantes que los otros? ¿Qué era eso de las explosiones de Rayos Gamma que tanto insistía Nora? Para averiguarlo debía terminar mi copa, y visitar otro día a la Dra. Eleonora Troja en su oficina del Goddard Space Flight Center; la sede central de la NASA situada en las afueras de Washington DC y cuyo campus acoge nada más y nada menos que a 8.000 científicos e ingenieros.

No todos los agujeros negros son iguales

El concepto básico tras un agujero negro es muy sencillo: una concentración de masa tan descomunal, que absorbe todo lo que pase cerca de él y no deja escapar ni la luz.

Desde luego, son los objetos más misteriosos del Universo, y averiguar qué ocurre en el interior de esta singularidad de campo gravitatorio infinito, o qué le pasa exactamente a la materia cuando alcanza su horizonte de sucesos del que ya no hay vuelta atrás, o comprobar si las ecuaciones de la relatividad de Einstein todavía se cumplen en tan extrema deformación del espacio-tiempo, o si la física cuántica es capaz de describirlos mejor e incluso predecir que algún tipo de radiación sí escape de ellos, es uno de los más grandes enigmas de la cosmología actual en el que trabajan por un lado físicos teóricos mirando sólo ecuaciones matemáticas en sus ordenadores, y astrofísicos observando cómo se comporta la materia que los rodea.

Pero quédate tranquil@; no te alejas mucho de la realidad si simplemente te imaginas una región en el Universo de densidad casi infinita que lo absorbe todo y nos resulta invisible porque la fuerza de gravedad no deja escapar ningún tipo de radiación.

Pero ¿Cómo se forman estos monstruos? Esto nos lleva a los dos tipos de agujeros negros que matizaba Nora: los supermasivos de millones de masas solares, y los estelares de pocas decenas. “¿y no hay nada en medio?”, preguntarás (y pregunté). La respuesta que obtuve: “Podrían existir de intermedios, pero no tenemos ninguna evidencia concluyente, ni una hipótesis clara de su formación. Bien podría ser que sólo existieran estos dos tipos”.

Sobre los supermasivos, los astrofísicos creer que, especialmente en las primeras etapas del Universo cuando la concentración de materia era mucho mayor, los agujeros negros se pudieron formar por una simple acumulación de estrellas gigantes, gas, y polvo, hasta condensar formando un agujero negro que tras miles de millones de años absorbiendo materia se convertiría en esos gigantes que ocupan el centro de las galaxias.

Los estelares que estudia Nora tienen otro origen: Una estrella como mínimo 30 veces mayor que nuestro sol termina su actividad, su interior deja de generar energía por fusión nuclear, y sus capas externas empiezan a colapsarse hacia el centro. En un momento determinado estalla formando una supernova, expulsando la mayor parte del material estelar, pero dejando en el centro una cantidad de materia suficiente como para formar un pequeño agujerito negro, sólo y aislado, en un rincón del Universo sin que nadie le pueda observar.

¿En qué sentido decía Nora que el estudio de los agujeros negros estelares era más interesante? Porque resulta que gracias a las explosiones de Rayos Gamma que se emiten en el mismo instante del colapso estelar, pueden detectarse y estudiarse en el mismo momento de su formación. Cuando el satélite swift con que trabaja Nora detecta una explosión de Rayos Gamma (las más potentes en el Universo después del Big Bang), avisa y muchos otros telescopios apuntan a ese lugar concreto para detectar un completo rango de otras radiaciones que se emiten.

¿Por qué explotan las estrellas?

Imagínate esa estrella 10 veces mayor que nuestro Sol dando vueltas como una loca sobre su eje, apagándose, y empezando a colapsarse. En un momento determinado explota, y gracias a que estaba rotando sale disparado un chorro de rayos Gamma. Pero… “¿por qué explota formando una supernova?”, le pregunté a Nora. “Pues no está muy claro… se barajan diferentes posibilidades, pero parece que en algún momento del colapso debería formase en el centro algo parecido a una estrella de neutrones, y cuando el resto de materiales chocan en su superficie se producen unas reacciones inmediatas y muy localizadas de fusión nuclear que causarían la explosión y liberación de rayos Gamma. Después se formaría el agujero negro. Pero nadie sabe lo que ocurre exactamente”.

No olvides la expresión “Gamma-Ray Burst”. Aunque el origen de las explosiones de rayos gamma no esté del todo comprendido, desde hace relativamente poco se han convertido en una nueva herramienta para investigar el Universo. Por un lado, como cualquier otra radiación para averiguar detalles de las fuentes que los emiten. Pero por otro, su enorme intensidad nos permite localizar y estudiar los elementos más lejanos - tanto en tiempo como en distancia- que existen en el Universo. Por ejemplo, el año pasado se detectó el objeto más joven y distante nunca observado: una explosión ocurrida sólo 630 millones de años después del Big Bang, cuyos rayos gamma nos están llegando en la actualidad, y nos permite ver un objeto antiguo y situado a varios centenares de miles de millones de años luz de distancia (8.2 de redshift, era el dato de Nora).

Pasado, presente y futuro en las entrañas de la NASA

Que el equipo de prensa te acompañe por el interior del Goddard Space Flight Center de la NASA es un lujo. Te puedes encontrar con una réplica idéntica del Hubble que utilizan para hacer pruebas en tierra (foto1), o ingenieros trabajando en el telescopio James Webb (foto2) que en 2014 reemplazará al Hubble (extraoficialmente te confiesan que de ninguna manera alcanzarán esta fecha), u otro ingeniero cableando un satélite que monitoreará las lluvias en la Tierra (3), o los enormes tanques de vacío donde reproducen las condiciones del espacio para probar la resistencia de los satélites antes de lanzarlos (4).

Esto es el presente, y el trabajo del día a día. Pero vislumbras el futuro cuando dos entusiasmados investigadores te hablan de su trabajo con LISA, la misión internacional de la NASA y la ESA que cuando se ponga en marcha en algún momento de la década del 2020, podrá detectar ondas gravitacionales y abrirnos toda una nueva perspectiva del cosmos. “Si existen agujeros negros intermedios, LISA los detectará”, me explican, “realmente estudiar ondas gravitacionales será muchísimo más poderoso que cualquier otro nuevo telescopio que ahora podamos lanzar. Significará una manera de observar el Universo tan diferente, que… uff! Quien sabe qué veremos!”

Eso es el futuro. Y te das cuenta de lo mucho que en menos de un siglo ha cambiado nuestra imagen del Universo cuando caminando por un pasillo de la NASA te topas con dos pósters simulando un periódico de 1919 y otro de 1929. En portada del primero, el experimento del eclipse con que Eddington comprobó experimentalmente la relatividad general de Einstein, junto con la edad estimada del universo: infinito, y su tamaño: 300.000 años luz. En la edición del 1929 se mencionan los dos fabulosos descubrimientos de Edwin Hubble: la nebulosa de Andrómeda no formaba parte de nuestra galaxia (hasta ese momento se pensaba que la vía láctea era la única que existía), y el Universo no era estático sino que se estaba expandiendo. Eso implicaba que tuvo un principio, y debía ser mucho mayor. La edad estimada del Universo pasó a ser de 2 mil millones de años, y su tamaño de 280 millones de años luz.

Big Bang, radiación de fondo de microondas, antimateria, anisotropías, materia oscura, agujeros negros, energía oscura, planetas extrasolares… y mucho más, todo ha ido apareciendo más tarde en estas últimas décadas. Impacientes estamos de ver qué nos ofrecerán las venideras.

Qué difícil es no empezar hablando de una cosa y terminar con otra...

Contacto: pere@mit.edu / Twitter: @Perestupinya

Facebook group: Apuntes Científicos desde el MIT

Por fin terminé el libro “The Grand Design” de Stephen Hawking en el que –al contrario de lo que se afirmó en algunos medios los días de su presentación- en ningún momento argumenta que la ciencia pueda probar la inexistencia de Dios. Esto está fuera del alcance de la física, y en principio tampoco debería ser de su incumbencia.

Lo único que afirma Hawking –y no es poco- es que la ciencia se basta por sí sola para explicar cómo apareció el Universo de la nada, y por qué todas sus leyes y constantes físicas parecen tan bien afinadas para permitir nuestra existencia. La figura de un Dios Creador es absolutamente innecesaria para explicar el Origen del Universo. Ya sé que como principio, a muchos de los que leáis estas líneas este planteamiento no os parecerá nuevo en absoluto. No lo es. Pero sí es cierto que en ese continuo arrinconamiento que la ciencia ha estado realizando sobre la religión como manera de explicar el mundo, la existencia de algo en lugar de nada era el reducto al que se acogían muchas personas –incluidos científicos- para recurrir a la figura del Creador. Sin embargo, ahora Hawking defiende que la Teoría M es capaz de explicar esta aparente generación espontánea del Universo, y justificar por qué sus leyes son las que son y no otras.

El asunto es tan apasionante, que merece la pena dejar a Dios a un lado (algo que no estaría mal hacer en otros sitios además de este post), y centrarse en cómo Hawking argumenta que la Teoría M puede responder las preguntas antes reservadas a la religión o la filosofía.

¿Qué es la Teoría M?

La primera pregunta que debemos hacernos para llegar a ella es: ¿qué es la gravedad? Las ecuaciones de la relatividad general de Einstein definen muy bien la fuerza de la gravedad como una deformación del espacio, pero cuando nos adentramos en el mundo subatómico la gravedad parece no existir. Las fórmulas matemáticas de la mecánica cuántica explican perfectamente cómo se comportan las partículas subatómicas, pero ignoran por completo a la gravedad. No la necesitan en absoluto para describir el movimiento de un electrón alrededor de su núcleo atómico. Por eso cuando la cuántica se aplica a sistemas macroscópicos falla estrepitosamente, y por eso los físicos teóricos llevan décadas buscando un nuevo conjunto de ecuaciones matemáticas que unan la relatividad de Einstein con la mecánica cuántica en una única “Teoría del Todo” capaz de describir tanto los fenómenos del mundo macroscópico como los del microscópico.

No es sólo cuestión de capricho. Si bien a nivel práctico utilizar ambas teorías por separado ya les resulta la mar de exitoso, a nivel intelectual no están del todo satisfechos, ya que el hecho de que tanto relatividad como cuántica “fallen” en ciertos escenarios implica que algo “incompleto” existe en ellas. Y eso los físicos teóricos se lo toman muy mal. Ellos saben que pasando por Newton, el electromagnetismo, Einstein, la cuántica… cada vez han logrado perfeccionar más las leyes físicas con que describen el mundo, pero su objetivo final es alcanzar una Teoría del Todo “perfecta”; que encaje siempre y refleje los fundamentos últimos bajo los que se rige el Universo. Nada de aproximaciones cada vez mejores; la meta es alcanzar la expresión matemática final que nos lleve a entender todo el Cosmos, mucho más allá incluso de lo que podamos observar con nuestros limitados sentidos o instrumentos.

La primera candidata a cumplir este reto fue la teoría de cuerdas; una teoría matemática según la cual las partículas elementales son en realidad cuerdecitas minúsculas vibrando en unas dimensiones adicionales que nosotros no podemos observar porque están curvadas en un espacio demasiado pequeño. La manera como vibran estas cuerdecitas es lo que las convierte en una partícula u otra, e incluso existe un modo de vibración que se correspondería con la gravedad a escala microscópica, resolviendo por fin el problema de la gravedad cuántica.

La teoría de cuerdas lleva décadas perfeccionándose. Primero sólo describía bosones como el gluón, el fotón o el gravitón, pero al introducir la supersimetría se convirtió en una teoría de supercuerdas que también podía explicar fermiones como el electrón o el quark. Las ecuaciones se están continuamente afinando, pero hay un pequeño problema: en realidad tenemos 5 versiones de la teoría de supercuerdas y todas encajan matemáticamente en diferentes escenarios físicos. La Teoría M aparecida hace una década lo que hace es agrupar todas estas versiones en un marco teórico más amplio, asumiendo que las diferentes teorías de cuerdas son soluciones particulares en unos rangos de situaciones determinadas.

En realidad… cuando te preguntas qué es la Teoría M puedes intentar imaginarte esas cuerdecitas, 11 dimensiones adicionales (10 espaciales y una temporal) o membranas que las comunican todas ellas, pero de hecho se trata de unas fórmulas matemáticas que según especula Hawking pueden ser finalmente la Teoría del Todo que durante tanto tiempo hemos estado buscando. Si fuera así podrían no sólo describir cualquier fenómeno físico que observamos en el Universo, sino también explicar cómo y por qué el Cosmos es de la manera que es. En palabras de Hawking, la Teoría M sería lo que haría del todo innecesario a Dios.

La creación del Universo

Las dos preguntas en la frontera de la ciencia que Hawking intenta resolver con la Teoría M son las siguientes:

- ¿Por qué hay algo en lugar de nada?

- ¿Por qué el Universo es como es?

Antes de entrar en ellas, reflexionemos sobre la expresión “por qué?”. Tradicionalmente la física sólo se ha encargado de describir el “cómo”, dejando el “por qué” a la religión o la filosofía. En la primera página de su libro Hawking dice con descaro (y yo opino que profundo desacierto), que “la filosofía está muerta”, y que en el ámbito de la física por primera vez la ciencia nos puede llegar a explicar los porqués. Éste es uno de los puntos de debate más interesantes del libro.

Pero vayamos a la primera pregunta, que en realidad, se podría formular como ¿de dónde apareció el tiempo y la materia justo “antes” del Big Bang?. Entrecomillo el “antes”, porque lo que argumenta Hawking es que el Big Bang fue fruto de una fluctuación cuántica, y bajo tales circunstancias cabe la posibilidad de que el tiempo no existiera; sería una dimensión más del espacio y habría aparecido de repente. Hawking dice textualmente: “cuando añadimos efectos cuánticos a la relatividad general, en casos extremos la curvatura puede ocurrir a tal nivel que el tiempo se comporta como otra dimensión espacial. Habría 4 dimensiones del espacio y ninguna del tiempo. (…) Esto está fuera de nuestra experiencia, pero no fuera de nuestra imaginación ni nuestras matemáticas”. ¿Os convence? Esperad; ésta no es la pregunta correcta. ¿Es una posibilidad consistente con la Teoría M? Como veremos dentro de unas líneas, esta segunda respuesta es la clave para toda la filosofía de Hawking (y utilizo el término “filosofía” a plena conciencia).

Pero luego está la cuestión clave: la aparición espontánea de materia o energía de en medio de la nada. Este fenómeno es el que aparentemente se nos escapa de toda comprensión científica y hace que los creyentes recurran a la figura del creador. Pero según Hawking, la Teoría M también puede abordarlo ¿Cómo? Aquí se complica, y yo creo que el libro no llega a explicarlo satisfactoriamente (si algún lector más avispado puede ilustrarlos, estaremos encantados).

En la página 281 Hawking explica que la clave está en la energía gravitacional: “a escala de todo el Universo, la energía positiva de la materia podría equilibrarse con la energía gravitacional negativa, y por tanto no hay restricción alguna para la creación de universos enteros”. En el párrafo completo parece indicar que la existencia de energía gravitacional en una dirección implicara la necesidad de energía gravitacional en la otra, y por E=mc² esta energía podría ser transformada en materia.

Con toda mi humildad, éste es un punto fundamental para justificar la tesis de su libro, y no creo que Hawking y L. Mlodinow logren resolverlo satisfactoriamente.

Pero de nuevo, lo importante no es si nos parece extraño o no, o si es más o menos improbable que esto ocurra, sino si es consistente con alguna solución matemática de la Teoría M. ¿Por qué? Vayamos a la segunda pregunta: ¿Por qué el Universo es como es? (Que Hawking formula exactamente como ¿Por qué existimos? y ¿Por qué este conjunto particular de leyes y no otras?)

Para resolverla Hawking juega con dos conceptos: los universos múltiples que predice la teoría quántica, y el principio antrópico. En realidad no es un argumento difícil de entender: Según la mecánica cuántica inicialmente se podrían haber creado infinidad de Universos, cada uno con propiedades diferentes. Unos tendrían 10 dimensiones y otros 7, en unos la energía se habría convertido en masa y en otros no, unos habrían desaparecido instantáneamente y unos al cado de segundos… hasta que una de estas opciones correspondería al Universo en que vivimos. Hawking dice que la Teoría M tiene soluciones que permiten la creación de 10⁵⁰⁰ Universos diferentes, cada uno con sus propias leyes, y escribe: “Fluctuaciones cuánticas crearon universos minúsculos de la nada. Unos pocos de ellos alcanzaron un tamaño crítico, entonces se expandieron de manera inflacionaria, formando galaxias, estrellas y, como mínimo en un caso, seres como nosotros”.

Es una manifestación pura del principio antrópico: nuestra existencia es la que a posteriori hace que el Universo y sus leyes deban ser de la manera que son. “Nosotros creamos la historia por nuestra observación, en lugar de la historia creándonos a nosotros”, escribe Hawking.

En resumen: hasta 10⁵⁰⁰ Universos diferentes podrían haber aparecido de la nada por fluctuaciones cuánticas, y no es extraño que uno de ellos haya sobrevivido hasta que nosotros lo definamos como el nuestro.

A mi el principio antrópico me resulta insatisfactorio, y de manera respetuosa le diría a Hawking que –después de haber establecido que la filosofía está muerta- el argumento del principio antrópico es más filosófico que científico. Resulta consistente con las leyes de la física, pero eso no es suficiente. Por una parte no puede ser testado experimentalmente, pero por otra tampoco se deduce de ninguna ley ni otro principio físico. Es claramente una deducción, o interpretación, que puede ser acertada o no. Arriesga demasiado Hawking al expresar taxativamente que la filosofía está muerta, y que “La Teoría M es la teoría unificada que Einstein estaba buscando”, cuando está lejísimos todavía de poder ser testada experimentalmente.

Cierto que estamos frente a un tipo de ciencia nueva que no requiere la experimentación tal y como la conocemos, y que la observación clásica no nos podrá conducir a la comprensión más íntima de la realidad. Ojalá los físicos teóricos continúen quitando relevancia a las visiones sobrenaturales sobre la creación del Universo, y puedan algún día explicarnos de manera convincente porqué existe algo en lugar de nada. Pero parece que les falta mucho trabajo todavía. Confiamos en ellos, y seguiremos sus pasos con ilusión.

Contacto: pere@mit.edu / Twitter: @Perestupinya

Facebook group: Apuntes Científicos desde el MIT

Hace unas semanas recibí un mail de la revista QUO preguntándome cuáles eran según mi opinión, los tres grandes misterios científicos aún por resolver.

Con ello, y las respuestas de otros bloggers españoles, iban a preparar el dossier que ya podéis leer en esta dirección.

Claro… si te hacen elegir tres, y deben ser los principales… ¿tú que dirías? No es una pregunta retórica; mójate en los comentarios, e intenta ser un poquito más original de lo que fuimos nosotros.

Mis tres misterios

Yo reconozco que lo primero en que pensé fue cómo si ninguna de mis neuronas sabe quien soy, ni le importa, todas en conjunto son capaces de generar una ilusión de individualidad. El origen de la consciencia es uno de los grandes misterios de la historia, pero sólo en los últimos años hay un grupo de pensadores utilizando herramientas científicas para intentar esclarecerlo. Descartado el dualismo cuerpo-mente, ¿encontrarán algún proceso fisiológico esencial para la emergencia de la conciencia?

El segundo misterio es un clásico: “El origen del Universo”. Pero habiendo recibido el mail de Quo pocos días después de mi visita al cosmólogo Alan Guth, mi respuesta se transformó en el origen de las leyes de la física. Éste parece ser un misterio científico mucho más fundamental que el propio Big Bang. Sobre todo, porque resolverlo nos permitiría deducir todas las propiedades del Universo, incluido cómo y porqué se inició. Moderemos nuestro optimismo; no lo comenté en el post anterior, pero entre monopolos magnéticos y ondas gravitacionales, Guth me dijo que sobre el origen del Universo existían por lo menos algunas hipótesis especulativas, pero sobre el origen de las leyes de la física no había siquiera nada publicado.

El típico tercer misterio ronda alrededor cómo átomos y moléculas inorgánicas lograron ensamblarse hasta formar una estructura estable, que metabolizara energía del exterior, y que empezara a reproducirse transmitiendo información a sus descendientes: "El origen de la vida" en la Tierra. Pero este misterio siempre me ha escamado… primero porque no veo cómo experimentalmente se podría averiguar el origen preciso de la vida en nuestro planeta. Y segundo, porque cada vez es menos misterio. Si algo está sugiriendo la ciencia en los últimos años, es que la vida no es un proceso bioquímico tan complejo como nos pensábamos. Dale tiempo y una condiciones determinadas, y la vida aparecerá y desaparecerá varias veces. Para mi el verdadero misterio no es el origen de la vida basada en agua y enlaces de carbono tal y como la conocemos; seguro que el Universo está plagado de ella y antes de un par de décadas habremos descubierto algún planeta extrasolar con indicios de vida. El misterio es saber qué formas de vida totalmente diferente a la nuestra podrían haber ahí fuera.

Con matices, pero al fin y al cabo, los típicos tres orígenes: la vida, la mente, y el Universo.

Cierto que en cuanto a misterios, posiblemente son los tres más grandes que la ciencia puede abordar. Pero… qué poca originalidad, no? Y sobre todo… qué alejado de la vida cuotidiana!

Por eso reformulo la pregunta, y la lanzo en busca de ideas más frescas: ¿Qué incógnita os gustaría que la ciencia resolviera?

(sugiero no pasarnos de metafísicos, y recordar a Popper con su idea de que una pregunta sólo es científica cuando permite plantear experimentos que puedan refutarla)

Conozcamos a los otros bloggers

Jose Manuel Nieves, blogger de ABC.es, se pregunta por la naturaleza del tiempo, el por qué siempre fluye en una única dirección, y si habrá alguna partícula que haga lo contrario.

Wicho (Javier Pedreira) de Microsiervos sabe que algún día nos tocará abandonar la Tierra, y le gustaría saber si eso de no poder superar la velocidad de la luz es tan inflexible como apunta la –válida por el momento- teoría de la relatividad.

Antonio de Fogonazos plantea como primera incógnita científica a resolver, el eslabón pendiente para entender el Universo, ¿qué es la gravedad, hay alguna partícula a la que esté asociada, y cómo se cohesionan relatividad general y mecánica cuántica?

El Maikelnai’s Miguel Artime también busca el gravitón y el origen de la vida. Pero aporta un sentido de realismo, sale de su tokomak, y opina que con la crisis energética que nos acecha averiguar cómo conseguir contener el plasma en reactores de fusión nuclear es uno de los misterios más urgentes a resolver.

Los enigmas preferidos de El Paleofreak están entorno a la vida ¿Cómo se originó aquí en la Tierra? ¿estamos solos en el Universo? ¿Cuántos planetas allí fuera estarán habitados? ¿albergarán vida inteligente?

Javier Armentia de Por la boca muere el Pez quiere que la ciencia le de respuesta a cómo estas máquinas biológicas se convirtieron en humanos conscientes y aparentemente libres, para así poder desterrar otras explicaciones basadas en creencias.

Ambrosio Liceaga, ciencia de bolsillo, bordea la ciencia ficción al buscar maneras de ver el pasado e insinúa que unos habitantes del futuro podrían estar observándonos.

A Martín Cagliani de Mundo Neandertal le intriga que el cerebro sepa codificar la información que recibe del exterior y guardarla en forma de recuerdos. Realmente, es asombroso.

Sergio Parra, geociencia, también recurre a la ciencia para buscar respuesta en el clásico misterio del determinismo. ¿existe o no la libertad? A pesar del papel que juega el azar a escala atómica ¿continúa válida la interpretación de que todo acontecimiento físico está determinado por una inflexible cadena causa-consecuencia?

La Aldea irreductible de Javier Peláez se prepara para la llegada de máquinas verdaderamente inteligentes, y se cuestiona cómo vamos a tratar esta tan nueva situación.

Sergio Palacios de Física en la ciencia ficción quiere confirmaciones de las hipótesis más rocambolescas de la física teórica. Según la relatividad general podrían existir agujeros de gusano; si la teoría de cuerdas es cierta habría universos paralelos, y si algún día entendemos qué es la energía oscura quizá descubramos que la fuerza de la gravedad también puede tener su versión repulsiva.

La ciencia Kanija que preocupa a Manuel Hemán es de lo más robusta: ¿Qué es el tiempo y de dónde surge? ¿Qué son –si es que existen- la materia y la energía oscura? ¿es la vida algo común en el Universo?

Fernando del Álamo, historias de la ciencia, tampoco se anda con rodeos: El origen del universo, de la vida, y de la conciencia humana, son misterios que de resolverse cambiarían radicalmente nuestra concepción de nosotros mismos y nuestro lugar en el Universo.

La pizarra de Yuri apunta que según la teoría de la información cuántica, todo lo que existe y ha existido en el universo deja una traza indeleble en el tejido del cosmos. Cuáles son los límites de esta memoria cuántica constituye una de las grandes preguntas todavía sin respuesta.

Aquí tenéis enlaces e ideas a explorar. Pero si puede ser, hacedlo después de haber compartido primero las vuestras propias.

Este texto es en realidad un reto para ver si a pesar de las vacaciones logramos encontrar algún físico que sea capaz de interpretar el video que os muestro a continuación, donde el cosmólogo y autor de la teoría del Universo Inflacionario Alan Guth nos intenta explicar en su pizarra del MIT cómo el Universo podría ser infinito.

No, no… no digo infinito en el sentido que se expandirá por siempre. Me refiero a infinito es su esencia; infinito ahora, en el futuro, y a los pocos segundos después del Big Bang.

“En realidad lo más misterioso no es el origen del Universo, sino el origen de las leyes fundamentales de la física”, me dijo Alan Guth cuando lo visité en su despacho hace unas semanas. “Si algún día somos capaces de entender matemáticamente porqué las leyes de la física son las que son, y no otras, seguro que averiguaremos porqué hay algo en lugar de nada, y cómo apareció este Universo”, continuó Guth mostrando la cara más teórica de la cosmología; la que incluso alberga cierta desconfianza con las observaciones astronómicas porque “los datos experimentales pueden equivocarse, pero las matemáticas son exactas”. Astrofísicos, no os sulfuréis… ;)

El Origen del Universo

Cuando empecé preguntándole por el origen del Universo hace 13.7000 millones de años, en seguida aclaró el equívoco que le acompaña desde que en 1979 desarrolló su teoría de la inflación cósmica: “yo no investigo el origen del Universo, sino una etapa concreta que ocurrió dentro del primer segundo tras el Big Bang, pero una vez el Universo ya existía”.

Es que vaya tela con el primer segundo de vida del Universo…

Sobre lo ocurrido durante los primeros 10^-43 segundos (0,00000000000000000000000000000000000000000001 seg.) después del Big Bang, en la llamada época de Planck, no merece la pena que conjeturemos mucho. Existen algunas hipótesis sobre qué pudo pasar en esa singularidad de densidad y temperatura teóricamente infinitas, pero por el propio principio de indeterminación de la mecánica cuántica y la inexistencia de un modelo matemático que combine relatividad y cuántica, los físicos no pueden ni siquiera hacer predicciones teóricas. Todo apunta a que el origen del Universo continuará siendo un misterio por mucho tiempo.

Pero pasados estos primerísimos instantes iniciales, los cosmólogos ya se atreven a describir una secuencia de fases concretas:

Tras la época de Planck llegó la era de la Gran Unificación. En esos momentos las 4 fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil) se encontraban unidas en única fuerza electronuclear. Al principio de la Gran Unificación se separó la gravedad, y a continuación la interacción nuclear fuerte.

Después de esto, a los 10^-36 segundos después del Big Bang llegó una breve etapa inflacionaria en la que el espacio se expandió exponencialmente con una rapidez extrema. Éste es justo el momento que estudia Alan Guth. Merece la pena recalcar que esta expansión no significa que la materia se alejara entre ella a gran velocidad como si fueran fuegos artificiales, sino que el propio espacio que la contenía se expandía internamente de una forma inconcebible, como si inflaras un globo. Durante las ínfimas fracciones de segundo que duró la época inflacionaria, el tamaño del Universo se multiplicó por un factor de más de 10⁷⁰ veces, y nacieron las primeras partículas (quarks, anti-quarks y gluones). Enseguida comenzó la época electrodébil en que se separaron la fuerza nuclear débil y la electromagnética dejando ya establecidas las 4 fuerzas fundamentales que desde entonces rigen el Universo.

Hasta aquí, estas primeras etapas son más especulativas y existen ciertas discrepancias científicas, pero parece consensuado que a los 10^-12 segundos de su existencia el Universo ya era lo suficientemente frío como para permitir colisiones dentro del denso plasma de quarks, gluones y leptones (grupo de partículas como el electrón, el muón y los neutrinos), facilitando que los quarks se unieran formando protones, neutrones, y otras partículas subatómicas del grupo llamado hadrones. Cuando el Universo ya tenía un milisegundo de antigüedad los hadrones y antihadrones se desintegraron entre ellos dejando un misterioso residuo de hadrones (protones, neutrones…). Luego hicieron lo propio leptones y antileptones (electrones…). El Universo ya tenía un segundo de vida, y llegó la época de nucleosíntesis en la que se constituyeron los primeros núcleos completos de hidrógeno y helio, junto a sus respectivos isótopos. Pasados 3 minutos, el Universo ya se había expandido y enfriado hasta sólo 1.000 millones de grados centígrados y estaba constituido por un plasma de núcleos, electrones y fotones. Pero no fue hasta 380.000 años más tarde que la temperatura descendió lo suficiente como para permitir que los núcleos y los electrones se unieran formando los primeros átomos. El Universo se volvió transparente, los fotones pudieron escapar de ese denso plasma, y nacieron los primeros rayos de luz del cosmos. Lo que sigue es menos misterioso: Poco a poco estos átomos se fueron agrupando en ciertas regiones de un Universo que no paraba de expandirse, 100 millones de años más tarde la primera estrella empezó a brillar, se crearon galaxias, cúmulos de galaxias, planetas, sistemas solares y el Universo fue evolucionando hasta lo que conocemos ahora.

El Universo podría ser infinito

Estaba con Alan Guth hablando de esa época inflacionaria dominada por una especie de brutal fuerza de gravedad repulsiva, de cómo el descubrimiento de la expansión acelerada del universo debido a la enigmática energía oscura reforzó su teoría de la inflación cósmica, del impacto que tendrá descubrir o no ondas gravitacionales, y de cómo sus ecuaciones predicen que por indeterminación cuántica podrían haberse generado unas no-uniformidades que generaron perturbaciones en la estructura del Universo y terminaron causando el desequilibrio entre partículas y antipartículas, las anisotropías que vemos en la radiación de fondo, o que las galaxias se formaran en un lugar y no otro.

Entonces, le pregunté por mi obsesión sobre el tamaño del Universo, e intercambiamos algunas de las frases más surrealistas que recuerdo:

(podéis escuchar el diálogo aquí o youtube )

Pere: “Sobre el tamaño del Universo… ¿tenéis alguna pista?

A. Guth: “Podría ser infinito!”

P: “Esto es algo que he oído, pero no termino de entender… ¿Qué quieres decir por infinito?”

A.G: “je, je, je, je…. Well! Aaahh… deja que te dé dos diferentes explicaciones de cómo el universo puede ser infinito. La primera es el clásico modelo de Universo abierto. Hace mucho tiempo, antes incluso de la teoría inflacionaria, se observó que el universo era muy parecido en cualquier región donde miraras, y la gente empezó a construir modelos en los que el Universo era completamente homogéneo…. Y estos modelos son bastante precisos; todavía los utilizamos. Pero en estos modelos donde todo es homogéneo aparecen 3 posibles tipos de Universo: el abierto, el cerrado y el plano... El cerrado es finito. Pero el abierto y plano son… infinitos; el espacio simplemente se expande por siempre. No hay nada ilógico en pensar que el Universo continuará expandiéndose…

P: Pero…

A. G: Dime

P: ¿Infinito en el sentido que se expandirá para siempre, o infinito en el sentido de que… es… infinito?

A.G: Je, je… infinito en el sentido de que es simplemente infinito. Si empezaras a caminar estarías caminando por siempre.

P: Pero… entonces era infinito incluso durante sus primeros momentos de existencia?

A.G: Correcto! También podía ser infinito en sus primeros momentos…

P: Aaaaa…

AG: Incluso durante el Big Bang, el Universo podría haber sido infinito… según este punto de vista. ¡Pero hay otra posibilidad según la cual el Universo podría ser infinito!. Incluso si empezó siendo finito… hay maneras en que podría haberse llegado a ser infinito. Pero para esto mejor que te haga un dibujo.

Aquí Alan Guth se levantó en dirección a su pizarra, yo cogí mi teléfono recién estrenado, y grabé el siguiente video que os ruego busquemos a alguien para que nos lo interprete y traduzca a palabras llanas. Yo lo he intentado, y no hay manera.

Por favor, necesitamos algún físico que nos aclare esta inquietante duda: ¿es el Universo infinito?

(una vez resuelta, la publicaremos en un nuevo post o como nota al final de éste)

Conocer a Alan Guth fue como encontrarse frente a un científico salido de una película.

Ya se que a los investigadores no les gustan estos estereotipos, pero de verdad que Guth responde perfectamente a esa imagen de genio encerrado en su mundo matemático. Para estudiar el Universo no mira al cielo sino que lo describe con leyes, fórmulas abstractas y programas de ordenador. Tiene una inteligencia prodigiosa, es humilde, y su risa denota un sentido del humor muy peculiar… va en bicicleta hasta el MIT, lleva esas gafas tan características, tiene el despacho inundado de papeles y artículos científicos, es simpático, amabilísimo, y se muestra encantado de hablar contigo sobre su trabajo. Pero no hay quien le entienda. Habla con un lenguaje propio que parece nunca haya tenido necesidad de adaptar a personas que no sean sus estudiantes o compañeros físicos. Está en su mundo. Su mundo, que es el nuestro. Sólo que él lo observa con unos ojos menos limitados que los nuestros, y que le permiten regalarnos la posibilidad de seguir la aventura de descubrir la naturaleza más íntima de nuestro Universo.

En el post anterior, el físico solar Ignacio Ugarte nos anticipaba cómo serían las primeras imágenes ofrecidas por el telescopio SDO de la NASA, y qué relevancia tendrían para el estudio del clima espacial.

Aquí nos comenta sus primeras reacciones y describe algunos de los vídeos colgados hace apenas escasas horas.

Iñaki Ugarte:

Prometimos imágenes espectaculares y aquí las tenemos. Una vez más NASA lo ha vuelto conseguir. Este Universo no deja de maravillarnos, y sólo hace falta poner una nueva ventana para verlo. Acabamos de abrir el Solar Dynamics Observatory. Disfrutad.

Este primer video muestra un filamento solar de tamaño considerable durante una erupción fallida en la que el material vuelve a caer por su propio peso. Recordemos que el diámetro de la Tierra es 100 veces menor que el del Sol. Viendo las dimensiones de la imagen, dentro de la erupción cabrían unas 15 Tierras en fila de izquierda a derecha:

Aquí se ve una erupción solar de las que anticipábamos en el artículo. La atmósfera solar y sus gases ionizados siendo expulsados violentamente. Los colores representan diferentes temperaturas (2, 1.6 y 1 millón de ºC) obtenidas con diferentes filtros:

Otra toma de la erupción donde también vemos los campo magnéticos, una miríada de "imanes solares", repartidos por la superficie del Sol: esas regiones blancas (polos positivos) y negras (negativos) en un fondo gris. De ahí, recorremos las diferentes capas de la atmósfera subiendo en altura y temperatura:

Las imágenes originales no tienen color. Se han elegido diferentes colores para representar diferentes filtros o temperaturas. Los videos en su mejor calidad los podéis encontrar en este enlace. Pinchad, de verdad merece la pena.

Iñaki está entusiasmado. La semana pasada me decía “¡Debes hacer un post sobre el Sol! Debes hacer un post sobre el Sol!”. “¿Por qué?” le pregunté. “Primero porque se lo debes al no haberlo ni mencionado en la historia de la vida que escribiste, pero sobre todo, porque el miércoles 21 se van a presentar las primeras imágenes del satélite que la NASA lanzó el pasado 11 de febrero para estudiar el Sol. Y serán es-pec-ta-cu-la-res”. Ante tanta efusividad científica, mi sugerencia iba a ser obvia: “¡Escríbelo tú!”

Aquí os dejo con el texto de Ignacio Ugarte, físico pamplonés que investiga el origen de las erupciones solares y el calentamiento de la atmósfera en la George Mason University de Washington DC, y que nos anticipa por qué las nuevas imágenes obtenidas por el satélite Solar Dynamics Observatory (SDO) van a ser tremendamente importantes, además de bellas.

El Sol, como nunca antes lo hemos visto, por Ignacio Ugarte

Comenzaba la fascinante historia de la vida en 1000 palabras hace 4600 millones de años con los restos de polvo y gas girando alrededor del Sol. El Sol allí ya presente, su existencia incuestionable.

En esa historia y en la de cada uno de nosotros, el Sol transmite un sentido de inevitabilidad. Fiel y viejo amigo, imperturbable, constante, puntual, hasta tal punto que nos pasa desapercibido. La Luna, por ejemplo, más esquiva con sus fases, parece llamar más nuestra atención y eso que le debe todo su esplendor a la luz del Sol que refleja. Sabemos, sin embargo, lo fundamental que es esta estrella en nuestras vidas. No es una barbaridad decir que estudiar y comprender el Sol y su interrelación con La Tierra es tan importante como lo puede ser comprender el clima terrestre.

Estos días se han abierto las puertas de un nuevo satélite lanzado por la NASA para la observación y estudio del Sol, el Solar Dynamics Observatory (Observatorio de Dinámica Solar) y se han empezado a recoger las primeras imágenes que prometen ser espectaculares. El satélite es la primera misión del programa “Living With a Star” (viviendo con una estrella) ideado por NASA para investigar de manera efectiva el clima espacial, aunando los esfuerzos de los mayores expertos en la materia. Se espera una rueda de prensa de NASA para el miércoles 21 de Abril a las 8 de la noche hora española: “El Sol como nunca lo hemos visto antes”. La noticia pasará quizás desapercibida en estas semanas de fútbol y corruptelas politicas, pero merece la pena que nos paremos un momento a reflexionar sobre un par de cuestiones.

Viviendo en la sociedad tecnológica que vivimos, donde todo parece estar a nuestro alcance, ¿qué esfuerzo científico, tecnológico y económico debe hacer esta sociedad para comprender su entorno? Hablamos de NASA, la agencia espacial más reconocida, y del objeto del Sistema Solar más importante además de La Tierra.

¿Con qué nivel de detalle y con qué frecuencia creéis vosotros que observamos el Sol actualmente? Os doy un segundo para que penséis en un número. ¿Y si os digo que la frecuencia con la que actualmente se toman imágenes completas del Sol de forma rutinaria es de un minuto? Eso es menos frecuencia que cualquier webcam instalada en un destino turístico. ¿Mucho, poco? ¿Y si os digo que las imágenes no resuelven nada menor que 700 km? Si mirásemos la Tierra de esa manera se vería tan pixelada como la imagen de la derecha ¿Seríamos capaces de comprender lo que ocurre aquí abajo viéndolo desde fuera con ese grado de detalle (o falta de)?

Bien, pues ése es el trabajo de un físico solar. Y esa es la fuerza del trabajo científico: sacar el máximo partido de la menor cantidad de información disponible, y hacerlo con rigor.

Dado el presupuesto disponible y las limitaciones de tamaño y peso que se ponen a los instrumentos de toda misión espacial, éste es el mejor esfuerzo que se había podido hacer hasta ahora. Hay y ha habido instrumentos, que han observado más rápido y con más detalle la atmósfera solar, pero siempre de manera localizada y discontinua. Recordemos que un telescopio solar en tierra no observa de noche.

SDO va a tomar imágenes completas del Sol cada 10 segundos, sin interrupciones, durante años, y en ocho longitudes de onda o colores diferentes (no visibles por el ojo humano porque es luz ultravioleta). Además medirá sus campos magnéticos. Las imágenes de 17 megapíxeles (ocho veces la resolución de una televisión de alta definición) contendrán píxeles que abarcan áreas tan grandes como dos veces Andalucía, 400x400 km.

Siguiendo nuestro ejemplo anterior, la Tierra se vería como aquí a l izquierda. ¿Decepcionante? En absoluto. El diámetro del Sol es 110 veces el de la Tierra. Llegará el día en que seamos capaces de resolver una “ciudad” o “un barrio”, pero de momento la comunidad solar está ilusionada. Con esta herramienta incomparable, intentaremos dar un paso más en comprender los misterios del Sol. Entre ellos el origen de las erupciones solares, violentas eyecciones de materia a grandes velocidades que cuando llega a la Tierra puede ocasionar daños en satélites, redes eléctricas o perturbar las señales de radio o el sistema GPS. Estas erupciones, responsables también de las auroras polares, son todavía impredecibles y se espera que el estudio de cientos de ellas con este nivel de detalle, nos permitirá comprender mejor los procesos básicos y afinar las predicciones.

Es tal la cantidad de datos que manda el satélite (150 millones de bits por segundo) que NASA ha tenido que construir dos antenas de radio de 18 metros para recogerlos. Esto son 1.5 Terabytes diarios, tecnicismo que equivale a bajarse medio millón de canciones mp3 al día. El reto que se plantea ahora es la financiación de investigadores que analice toda esta información. Los datos serán accesibles de forma libre en cualquier rincón del planeta, y son varios los investigadores españoles involucrados en el proyecto repartidos por diferentes partes del mundo. Se espera una coordinación de esfuerzos entre varios satélites (SOHO, STEREO, Hinode, RHESSI) de varias agencias espaciales y telescopios terrestres en muchas partes del planeta, con mención especial y, sin chauvinismo alguno, de los observatorios de La Palma y Tenerife.

¿Coste del proyecto? 850 millones de dólares para una misión que inicialmente tiene 5 años de duración. Proyecto ambicioso, sin duda, cuyo coste se debe analizar en el contexto de unos presupuestos y su reparto.

Estemos atentos a las imágenes espectaculares que se avecinan. Más noticias y la rueda de prensa (Miércoles 21 de Abril a las 20:00 hora española) se podrán seguir a través de la web del SDO, la televisión de la NASA y el twitter del satélite. Añadiremos y comentaremos las imágenes y películas tan pronto estén disponibles.

Ignacio Ugarte

En los próximos días Obama va a anunciar su presupuesto para la NASA, que debe reflejar claramente una de estas dos posturas: “Ok, os doy estos miles de millones más que me pedís y seguid con el plan previsto de enviar humanos a la Luna, como preparación a un futuro viaje tripulado a Marte”, o “¿sabéis qué? posterguemos la ambiciosa aventura un par de décadas”. Todo apunta a los segundo.

Evidentemente hablará de muchos otros aspectos: la retirada del shuttle, retos más “terrestres” que debe afrontar la NASA, cómo sacar partido de una Estación Espacial Internacional que ha costado 100 mil millones de dólares, continuar o no con el desarrollo de los nuevos vehículos espaciales… pero le resultará difícil sortear la gran y directa pregunta: ¿mantenemos el plan Constellation aprobado por Bush para que astronautas estadounidenses pisen la Luna en 2020? ¿o lo paramos? No puede ser ambiguo, porque continuar requiere un aumento presupuestario constante durante los próximos años. A estas alturas, sería sorprendente que dijera “continuemos!".

Obama tiene dos informes sobre su mesa. El de la comisión Augustine le dice que se olvide de ir a Marte si no quiere desembolsar un dineral, que detenga la construcción del cohete Ares 1 y la cápsula Orión, y que deje los viajecitos por órbitas bajas en manos de compañías privadas. El del Panel Consultivo de Seguridad Aeroespacial le aconseja que no ceda a la opción de los servicios comerciales.

En el fondo, detalles. Nosotros, para calentar motores y no alejarnos de la pregunta fundamental ¿Por qué viajar al espacio?, nos hemos fijado en otro informe sin lobbies y de carácter más sociológico elaborado hace unos meses por ingenieros, historiadores y politólogos del grupo de Espacio, Política y Sociedad del MIT, cuyo principal objetivo es analizar los motivos por los que merece la pena (o no) enviar humanos a explorar el espacio.

Objetivos primarios y secundarios

El informe distingue entre objetivos primarios: “aquellos que únicamente se pueden conseguir con la presencia física humana, sus beneficios superan claramente los costes, y compensan poner en riesgo vidas humanas ”. Y secundarios: “los que ciertamente suponen beneficios, pero por si solos no justifican los costes ni el riesgo de una aventura espacial”.

Primarios: Exploración, orgullo nacional, prestigio y liderazgo internacional

Secundarios: Ciencia, desarrollo económico, nuevas tecnologías, y educación e inspiración

Seguro que a algunos os chocará ver ciertos objetivos como secundarios. Comentémoslo. Pero tengamos presente que si hablamos de ciencia y curiosidad por saber qué hay allí fuera, la exploración del espacio con robots y telescopios es mucho más rentable en resultados que la humana. Algo parecido ocurre con el desarrollo tecnológico: se puede lograr invirtiendo directamente sin la excusa de viajar a la Luna. Y a pesar del gran interés que suscita el espacio, en la sociedad actual el efecto en los jóvenes del “estar físicamente allí” no sería de ninguna manera tan inspirador como hace 50 años con el Apollo.

Ciencia, tecnología, desarrollo económico y educación son objetivos secundarios, que sería fantástico conseguirlos de manera indirecta, pero que por si solos no justifican una exploración espacial tan costosa y arriesgada como sería ahora regresar a la Luna e intentar ir a Marte.

La decisión debe estar tomada bajo los objetivos primarios, que sólo pueden conseguirse con la presencia física de seres humanos en el espacio.

El primero, la exploración espacial, representa la esencia de la NASA, y para algunos es una actividad que forma parte de nuestra naturaleza humana. “Está inscrita en nuestro ADN”, se suele decir. El informe del MIT rechaza estos argumentos al no encontrar ninguna evidencia de que los humanos nazcamos con esa necesidad imperiosa de conquistar y explorar nuevos territorios. Para ellos la exploración espacial es muy diferente de otros eventos históricos del pasado, y debe definirse como una expansión de la experiencia humana que nos lleva a diferentes entornos, sitios, y lugares, redefiniendo qué significa ser humano y cuál es nuestro papel en el Universo. Y obviamente esto no se consigue quedándonos atrapados en este planeta.

Respecto al orgullo nacional y el prestigio y liderazgo internacional, el informe concibe la exploración espacial como un símbolo de determinación y poder. Jugó sin duda este papel durante la guerra fría de los Estados Unidos con la Unión Soviética, pero falta ver si todavía mantiene este rol. Para los autores del estudio sí continúa representando un indicador de modernidad que correlaciona la tecnología con la capacidad, y que a los ojos de mucha gente puede indicar quien es la primera potencia del mundo. Puede parecer exagerado, pero… ¿qué es lo que define quién es el número uno? Muchos factores, sin duda. Pero imaginemos por un momento qué impacto podría tener que dentro de unos años, el mundo siguiera evolucionando como hasta ahora, y fuera una nave China la que aterriza en la Luna plantando una bandera mayor que la de EEUU. Cierto que podría solucionarse concibiendo la carrera espacial no como una competición sino como un proyecto de colaboración internacional. Pero sin duda, el liderazgo también es un objetivo primario a considerar por la administración Obama.

Estaremos atentos al desenlace…

Lo que os cuento a continuación es cotilleo científico tras conversación desenfadada con amigos físicos que investigan con el Large Hadron Collider (LHC) del CERN.

El LHC situado en Ginebra es –de lejos- el acelerador de partículas más potente que existe en el mundo.

Detrás de él viene su colega/competidor el Tevatrón del Fermilab (EEUU), un acelerador que ha generado grandes resultados pero cuyo cese de operaciones está previsto –en principio- para este 2010. Digo en principio porque se ve que entre el accidente que dejó inoperante durante un año al europeo LHC, y que ahora anda todavía funcionando lejos de su potencia máxima, algunos integrantes del estadounidense Tevatrón están proponiendo alargar su vida útil para ver si consigue robarle al LHC lo que sería el descubrimiento más importante de la física de partículas en los últimos 30 años: descubrir el bosón de Higgs.

Hace un par de años nadie en el Fermilab contaba con ello; el LHC del CERN iba pronto a dejar obsoleto a su Tevatrón. Pero ahora mantienen un atisbo de esperanza. Y en el accidentado LHC se ve algunos andan un poquito recelosos... No es para menos; descubrir el bosón de Higgs (o confirmar su inexistencia) es el principal objetivo de la primera etapa de “el mayor experimento científico de toda la historia”. Sólo les faltaría que se les avanzaran desde EEUU… ¿es eso posible? Muy difícil, pero no descabellado. Vayamos por partes.

¿Qué es el bosón de Higgs?

Es la pieza fundamental que falta para encajar el modelo estándar de la física de partículas. Me explico: Desde hace decenas de años los físicos han ido encontrando y caracterizando todas las partículas fundamentales que existen (quarks, electrones, gluones, muones…), y formulando las leyes que rigen sus propiedades y comportamiento. Todo esto constituye un modelo estándar que les encaja muy bien, salvo en un ligero detalle: según sus ecuaciones estas partículas… no tienen masa! ¿Cómo? Si; el modelo estándar tal y como se encuetra en estos momentos no puede explicar ni la gravitación ni por qué algunas partículas poseen masa (como el electrón o un quark) y otras no (un fotón).

Bueno… sí puede explicarlo, siempre y cuando exista una partícula hipotética llamada bosón de Higgs que sería la responsable de dar masa al resto de partículas. Así casaría todo (o casi). El bosón de Higgs no ha sido detectado experimentalmente todavía, pero el modelo estándar lo predice, y todo apunta que cuando el LHC sea capaz de rastrear la región de energías en la que se supone se halla el bosón de Higgs, lo encontrará.

Y si no lo hace… modelo estándar a la basura.

¿Podría encontrarlo antes el Tevatrón?

El bosón de Higgs no se ha detectado todavía porque es muy “escurridizo” (la probabilidad de generar en colisiones las reacciones para producirlo es muy baja), y los aceleradores de partículas no han podido todavía “hilar tan fino”.

Ciertos experimentos en el CERN determinaron que su masa debe ser superior a 114 GeV/c2, y según cálculos de efectos cuánticos no puede superar los 185 GeV/c2. En algún lugar dentro de este margen se debería encontrar el bosón de Higgs. Bueno… no en cualquier lugar, pues el pasado marzo científicos del Fermilab analizaron una sección de este espectro y concluyeron que entre 160 y 170 GeV/c2, no hay rastro del bosón de Higgs. Culito prieto para el CERN… porque sin duda los estadounidenses siguen rastreando otras zonas.

¿Qué gran ventaja tiene el LHC? Que el Tevatrón del Fermilab no posee potencia suficiente para rastrear la mayor parte del espectro donde en teoría se encuentra el Bosón de Higgs. Y sin embargo, cuando el LHC termine del todo su reparación (aún quedan bastantes empalmes eléctricos entre imanes por remendar) y funcione a mayor capacidad, sí llegará sin problema a este mínimo de 114 GeV/c2.

A ver… las apuestas continúan muy a favor del LHC, pero se rumorea que en Ginebra no quieren perder mucho más tiempo, y que en Chicago quizás alargan la vida del Tevatrón por si acaso… hay varios premios Nobel, reputación y mucho prestigio en juego.

De todas maneras, lo que no puede conseguir el Tevatrón es demostrar que el bosón de Higgs no existe –que sería una noticia todavía más rompedora que su descubrimiento- . Esto sí puede hacerlo el LHC, si tras rastrear todo el espectro donde en teoría se encuentra el Higgs, no da con él. Porque si existe, debe aparecer de todas, todas. Y si no , hecatombe: el modelo estándar con el que los físicos llevan trabajando 50 años es imperfecto (y en ciencias exactas esto equivale a equivocado). Los físicos teóricos habrían estado jugando con el modelo estándar satisfechos porque les explicaba una enorme cantidad de fenómenos, pero haciendo oídos sordos a una pequeña incongruencia de menospreciable importancia como que no explica por qué las partículas tienen masa. En principio todos esperan y desean que el Higgs aparezca en los próximos años y confirme el modelo estándar, pero algunos reconocen que les alegraría incluso más que todo cayera por tierra y viviéramos una nueva gran revolución en el mundo de la física. Así la aventura se haría más interesante, y quizás podrían pedir financiación para más juguetitos con los que continuar el reto de descubrir la naturaleza más íntima de la materia.

En el interior de una mina de hierro abandonada de Minnesota, a 800 metros bajo el suelo, protegidos de perturbaciones, y enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto, los científicos enterraron 30 detectores formados por cristales de silicio y germanio.

Allí estaban aislados de rayos cósmicos y de interferencias con la mayoría de partículas convencionales. Sin embargo, “algo” interaccionó con ellos. Los investigadores responsables del experimento CMDS-II observaron dos tenues señales en los núcleos de dos átomos de germanio que encajaban perfectamente con sus modelos teóricos de cómo sería el contacto con WIMP’s, unas partículas que ni emiten ni absorben luz, que nunca han sido observadas hasta el momento, que podrían perfectamente no existir, pero que de hacerlo, resolverían uno de los grandes misterios de la astrofísica.

¿Os acordáis de la mujer galáctica?

A principios de los años 70 Vera Rubin estaba midiendo la velocidad de rotación de las estrellas de la galaxia Andrómeda y descubrió algo extrañísimo: las situadas en los extremos giraban prácticamente a la misma velocidad que las centrales. Esto no tenía sentido! En el centro de las galaxias se acumulaba mucha más cantidad de materia y la fuerza de gravedad era mucho más fuerte, por lo tanto, a medida que nos alejáramos de la zona central las estrellas deberían girar cada vez más lento.

Lo primero que pensó Rubin era que sus mediciones estaban equivocadas, o que Andrómeda era especial por algún motivo, pero cuando repitió sus observaciones con otras galaxias y dio a conocer a la comunidad científica que en todas ellas la velocidad de rotación de las estrellas no decrecía con la distancia, su nombre quedó inscrito en los libros de ciencia como la persona que ofreció la primera prueba de la existencia de materia oscura.

La interpretación fue contundente: si los despoblados extremos de la galaxia giraban a la misma velocidad que los espesos centros, era porque en realidad –aunque nosotros no la viéramos- contenían la misma cantidad de materia. Una materia invisible, y que no detectábamos porque debía ser de una naturaleza completamente diferente a los átomos ordinarios que constituyen planetas, estrellas, o nuestros cuerpos.

Desde entonces se han acumulado más pruebas de que esta materia oscura efectivamente existe, y en una proporción 5 veces más elevada a la “normal”. Pero 40 años después, nadie ha sido capaz de identificarla. Sólo hay candidatos teóricos. Uno de los que más adeptos tiene son algo llamado WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles), partículas tremendamente masivas pero de interacción muy débil con la materia ordinaria. Tan débil, que no había manera de detectarlas o de discernir sus sutiles efectos de los existentes entre átomos normales.

Eso es lo que dicen que podrían haber conseguido en la mina de Minnesota.

¿Descubrimiento histórico? Más experimentos lo dirán

Las señales rumoreadas durante días y anunciadas oficialmente el jueves encajan perfectamente con lo que podría haber sido una interacción de dos átomos de Germanio con dos partículas WIMP, pero siendo francos, los científicos reconocen que también podría tratarse de alguna otra interacción convencional, radioactividad, o ruido de fondo en los detectores, y marcan en un 77% la probabilidad que hayan sido realmente WIMP’s.

Es un valor alto, sin duda, pero insuficiente en ciencia. Con esta incertidumbre no se puede considerar de ninguna manera una prueba suficiente de la detección de WIMP’s. En todo caso, para darse por válida debería ser confirmada por otros equipos.

Una situación parecida se vivió ya en el año 2000 cuando un grupo de investigación italiano anunció la detección de interacciones de materia oscura, pero experimentos posteriores no lograron corroborar sus resultados.

Los expertos que están analizando los datos publicados el jueves se inclinan a pensar que es una nueva falsa alarma, e incluye una cierta búsqueda de publicidad por parte del CDMS. Pero quien sabe, quizás dentro de un tiempo nuevas pruebas confirmarán que éste podría haber sido el descubrimiento más importante de la década.

Imagínate un par de electrones como si fueran dos monedas idénticas en las que una marca cara y la otra cruz.

Ahora imagínate que ambas monedas poseen esta peculiar propiedad: van alternando cara y cruz a su aire, pero nunca están ambas en la misma posición. Forman parte de un mismo orbital atómico, y por algo llamado principio de exclusión de Pauli, siempre que una esté en cara, la otra marcará cruz. Si yo voy y giro una, la otra se girará automáticamente a la posición opuesta. Espera, no te vayas, continúa leyendo, valdrá la pena lo prometo. Te voy a explicar uno de los fenómenos más inverosímiles de la naturaleza.

Estábamos con esas monedas-electrones que van cambiando constantemente entre cara y cruz, pero que de alguna manera están entrelazadas: Según las leyes de la cuántica, nunca pueden estar ambas en cara o en cruz a la vez. Es físicamente imposible.

Imaginemos un poco más: Coges con delicadez ambas monedas-electrones, las metes en sendas cajitas sin mirar todavía qué marca cada una, y sin romper su entrelazamiento cuántico te las llevas una a Nueva York y la otra a Bangkok. ¿Qué tendrás entonces? Dos monedas, una en NY y la otra en Bangkok, que en teoría van pasando de una posición a otra, pero continúan conectadas entre ellas. Si en un momento determinado abres la caja de Nueva York y ves la moneda en cruz, la de Bangkok se paraliza de golpe en cara. Y si hubieras abierto la misma caja unos milisegundos más tarde y te hubiera salido cara, la otra se habría colapsado en cruz inmediatamente (recalquemos el inmediatamente). Esto, en teoría cuántica. A la práctica… ¿creéis que esto podría llegar a suceder?

Vayamos ahora a ese apasionante primer tercio del siglo XX, en el que la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica competían para ver quien explicaba mejor la realidad del mundo que nos contiene.

Einstein no se tragaba algunas de las asunciones de la cuántica, sobre todo ese principio de indeterminación de un tal Heisenberg, según el cual en el mundo subatómico no había certezas y resultaba físicamente imposible conocer la posición y movimiento exactos de una partícula en un instante determinado. O esas atroces ecuaciones de su estrambótico colega Schrödinger, implicando que las partículas estaban dispersas en varios lugares a la vez y su estado sólo quedaba definido en el momento que alguien las observaba. “¡Claro que estaban definidas! ”, pensaba Einstein, ”y si la cuántica tenía indeterminaciones, debía ser porque todavía no estaba desarrollada del todo…”. Y para demostrarlo, en 1935 Einstein propuso junto con Podolsky y Rosen el experimento mental EPR, que reflejaba una situación análoga a las cajitas con monedas cara – cruz separadas miles de kilómetros de distancia.

En resumidas cuentas, lo que venía a decir Einstein era que si al abrir la caja de Nueva York ves a la moneda en cara, y de golpe la de Bangkok aparece en cruz, será que… ¡siempre habían sido cara y cruz respectivamente!!! ¿Qué historia era esa de que las partículas van cambiando de estado y comunicándose misteriosamente? Si al abrir la caja te hubiera salido cruz, pues esa moneda contenía la propiedad cruz. Y la otra cara. Y punto. ¿Por qué lo tenía tan claro Einstein? Porque siendo de otra manera se rompía un principio fundamental de las leyes de la naturaleza: “Si con la paradoja EPR coges dos partículas entrelazadas cuánticamente y te llevas una al otro extremo del sistema solar… físicos cuánticos locos; ¿me estáis diciendo que al observar una colapso inmediatamente la otra? Imposible! ¿pero no os dais cuenta que esto es una barbaridad?”. Este inmediatamente rompe con el principio relativista de que nada puede viajar más rápido que la luz. Ni siquiera la información. “¿O acaso tenéis alguna explicación coherente al experimento EPR?”, planteaba Einstein. En realidad, no la tenían. A lo único que podían aferrarse Schrödinger y Heisenberg era a sus ecuaciones matemáticas. La lógica en este caso estaba de parte de Einstein: Si le dices a un tipo en Bangkok que abra una caja y ve una moneda en cruz, no le hagas creer que segundos antes era cara. Bueno… eso quizás podría ser… pero lo que no cuela de ninguna manera es que otra moneda en New York vaya cambiando simultáneamente con la primera.

Lógico el planteamiento de Einstein, no?... Ja! Muerte a la lógica!!! Que le den al sentido común!!! Viva ciencia!!! Por muy inverosímil que os parezca, los físicos cuánticos tenían razón!!! Einstein andaba equivocado, y se hubiera comido su paradoja EPR si hubiera vivido más tiempo.

En 1964 el irlandés John Bell publicó un teorema que escondía un posible experimento para poner a prueba la paradoja EPR, y comprobar si la información podía viajar de manera inmediata entre dos partículas entrelazadas cuánticamente. Bell construyó su teorema con la idea de dar la razón a Einstein, y probar que dos partículas no podían estar correlacionadas hasta el grado que aseguraba la cuántica. Bell no llegó a realizar su experimento, pero en 1982 sí pudo hacerlo el francés Alain Aspect. ¿Y sabéis qué? Exacto!!! Contrariamente a lo que Bell y Einstein suponían, cuando por fin se pudo realizar el experimento EPR, quedó demostrado que dos fotones entrelazados cuánticamente sí podían comunicarse sus propiedades de manera instantánea a pesar de estar separados largas distancias. La paradoja EPR dio la razón a la cuántica, demostrando de nuevo que la realidad es más insólita de lo que podemos llegar a imaginar: Si tienes dos electrones entrelazados uno en NY y el otro en Bangkok, y al mirar a uno ves que es cara, el otro inmediatamente será cruz. Y si te hubieras esperado unos instantes y hubiera salido cruz, el otro sería cara. Fantástico!

Ah!, y no hay truco. Esto se ha corroborado en muchísimas otras ocasiones.

Si os sentís incrédulos, perplejos, pensáis que algo no encaja, o creéis que no habéis terminado de entender el fenómeno en profundidad… no os preocupéis; a la mayoría de físicos también les ocurre.

Quizás por eso, mientras unos intentan aprovechar las propiedades de este misterioso entrelazamiento cuántico en criptografía, computación cuántica, o teletransportación, otros nos quedamos simplemente ensimismados con las fabulosas elucubraciones filosóficas que el entanglement implica sobre la estructura de la naturaleza, fascinados con las viejas-nuevas historias, y expectantes de qué nuevas sorpresas nos irá deparando esta maravilla que es la comprensión científica del mundo.

Recordamos que los “Apuntes científicos” se pueden seguir por Facebook o Twitter